干旱脅迫下菊花葉片的生理響應(yīng)及抗旱性評(píng)價(jià)

栗燕,黎明,袁曉晶,李永華

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,鄭州450002)

干旱脅迫下菊花葉片的生理響應(yīng)及抗旱性評(píng)價(jià)

栗燕,黎明,袁曉晶,李永華

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,鄭州450002)

為了科學(xué)地評(píng)價(jià)菊花的抗旱性并為抗旱育種提供理論依據(jù),以盆栽金背大紅、天下一品、泉香沖天、紫玉、國華皇專和俊河的舞6個(gè)觀賞菊品種為試材,測定了不同干旱脅迫強(qiáng)度下葉片質(zhì)膜透性、丙二醛(MDA)含量 、超氧化歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性和葉綠素含量,并用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)不同品種菊花抗旱性。結(jié)果表明:隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加,6品種菊花葉片質(zhì)膜透性持續(xù)增大,而葉綠素含量持續(xù)下降,SOD、POD含量呈現(xiàn)先升后降再升的趨勢。國華皇專、紫玉葉片中MDA含量表現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢,其他4個(gè)品種均呈現(xiàn)先降后升的趨勢。隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)6品種菊花抗旱性大小順序?yàn)榻鸨炒蠹t＞天下一品＞泉香沖天＞紫玉＞國華皇專＞俊河的舞。

菊花;干旱脅迫;抗旱性;隸屬函數(shù)法

菊花(Dendranthema×grandif lorum)是原產(chǎn)于我國的傳統(tǒng)名花,屬菊科菊屬的多年生宿根草本植物,在庭院觀賞、花壇布置、街景造型中得到了廣泛應(yīng)用。

目前,關(guān)于菊花的研究主要集中在花期調(diào)控[1-3]、品種分類[4-5]、苗期及花期生理生化變化[6]等方面。而在菊花抗性生理方面的研究較少,毛洪玉等[7]以地被菊試驗(yàn)材料研究了其抗寒性,發(fā)現(xiàn)抗寒性強(qiáng)的品種葉糖含量都高于抗寒性弱的品種,隨著植物體內(nèi)含水量的降低,其抗寒防凍能力增強(qiáng)。李云等[8]研究認(rèn)為熱激鍛煉在一定程度上提高了菊花幼苗的耐熱性,熱激鍛煉的菊花葉片相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量均較對(duì)照低,而可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸含量均較對(duì)照低,而 POD和 SOD活性較對(duì)照強(qiáng)。目前,關(guān)于干旱脅迫對(duì)菊花葉片生理指標(biāo)影響的研究未見報(bào)道。隨著全球氣候變暖,環(huán)境惡化,干旱連年頻發(fā),干旱脅迫已成為限制菊花生產(chǎn)與應(yīng)用的瓶頸之一。因此,研究不同品種菊花的抗旱生理,選育出抗旱性強(qiáng)的菊花品種具有重要的意義。

本研究通過對(duì)6個(gè)觀賞菊花品種在不同干旱脅迫強(qiáng)度下與抗旱性相關(guān)的生理指標(biāo)的測定,并運(yùn)用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)其抗旱性大小,旨在為用生理指標(biāo)評(píng)價(jià)菊花的抗旱性提供科學(xué)依據(jù),為菊花抗旱性育種提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園林實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。供試材料均為觀賞菊品種,分別為金背大紅、天下一品、泉香沖天、紫玉、國華皇專和俊河的舞,均由河南省開封市金谷園立體花壇有限公司提供。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)處理

2008年10月將菊花扦插苗定植于直徑為18 cm 的花盆中(1株/盆),基質(zhì)為V(細(xì)沙)∶V(園土)∶V(草炭)=1∶3∶1,露地栽培 ,常規(guī)管理 ,選取生長健壯、長勢一致的菊花植株進(jìn)行試驗(yàn)。

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)置干旱脅迫和正常澆水對(duì)照2個(gè)處理,分別于停水干旱脅迫后6 d、12 d和18 d取樣測定各項(xiàng)指標(biāo),3次重復(fù)。

1.2.2 測定項(xiàng)目及方法

質(zhì)膜相對(duì)透性采用相對(duì)電導(dǎo)率法[9]測定;葉綠素相對(duì)含量采用CIRAS-2型便攜式葉綠素儀(英國PPS科學(xué)儀器公司)測定[10];MDA含量采用硫代巴比妥酸法[11]測定;SOD活性用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法[12]測定;POD活性用愈創(chuàng)木酚氧化法[12]測定。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用SPSS 12.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并用隸屬函數(shù)值法[13]對(duì)不同品種抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)值計(jì)算公式:

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin) 。

上式中:X(μ)為隸屬函數(shù)值,X為指標(biāo)的平均值,Xmax為各品種對(duì)應(yīng)指標(biāo)的最大值,Xmin為各品種對(duì)應(yīng)指標(biāo)的最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下菊花葉片質(zhì)膜透性的變化

由圖1可見,隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加,各菊花品種葉片的相對(duì)電導(dǎo)率均逐漸增加。干旱脅迫前期,相對(duì)電導(dǎo)率增加緩慢,干旱脅迫后期各菊花品種的相對(duì)電導(dǎo)率則大幅度上升。除國華皇專和俊河的舞葉片相對(duì)電導(dǎo)率在干旱12 d時(shí)才與對(duì)照顯著差異外,其它4品種在干旱脅迫6 d時(shí)均開始與對(duì)照存在顯著差異(P＜0.05)。

圖1 干旱脅迫下菊花葉片質(zhì)膜透性的變化Fig.1 Changes of protoplasmic membrance prenetrability under drought stress

在脅迫處理18 d時(shí),葉片相對(duì)電導(dǎo)率的增加幅度因品種不同而表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。國華皇專的相對(duì)電導(dǎo)率與對(duì)照比增加了78.78%,其增加幅度最少;其次為俊河的舞(增加了122.17%)、泉香沖天(增加了139.8%)、天下一品(增加了 153.7%)、金背大紅(增加了198.67%)、紫玉(增加了200.3%)。

2.2 干旱脅迫下菊花葉片中MDA含量的變化

由圖2可見,隨著干旱脅迫程度的加劇,國華皇專和紫玉葉片中MDA含量表現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢,其他4個(gè)品種均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。國華皇專和俊河的舞在第18 d才達(dá)到顯著差異水平;金背大紅和泉香沖天在干旱第6 d時(shí)與對(duì)照差異顯著,第12 d時(shí)反而無顯著差異,第18 d時(shí)又達(dá)到顯著差異水平;天下一品和紫玉在各時(shí)期均與對(duì)照差異顯著(P＜0.05)。干旱脅迫時(shí)間達(dá)6 d時(shí),俊河的舞、泉香沖天、天下一品和金背大紅MDA含量降至最低,分別為 7.123 nmol/g FW、9.925 nmol/g FW、4.239 nmol/g FW、4.056 nmol/g FW,這說明4個(gè)菊花品種對(duì)干旱脅迫有一定的抵抗能力,隨著干旱脅迫時(shí)間的增長,其MDA含量均有明顯的增加。當(dāng)干旱脅迫結(jié)束時(shí),金背大紅MDA含量比自然狀態(tài)下增加了37.4%,國華皇專、泉香沖天、天下一品、俊河的舞和紫玉與對(duì)照比分別增加了45.7%、46.4%、50.5%、70.2%、73.1%。

圖2 干旱脅迫下菊花葉片MDA含量的變化Fig.2 Changes of MDA content under drought stress

2.3 干旱脅迫下菊花葉片中SOD和 POD活性的變化

由圖3可見,隨著脅迫強(qiáng)度的增加,6個(gè)品種菊花葉片的SOD和POD活性均呈現(xiàn)先增加后降低再增加的趨勢,各品種在不同脅迫強(qiáng)度下均與對(duì)照存在顯著差異(P＜0.05)。

在本試驗(yàn)所設(shè)置的干旱脅迫強(qiáng)度下,6個(gè)品種菊花葉片中SOD活性差別不大(圖3a)。但從整體趨勢來看,在干旱脅迫前期,SOD活性先升高是因?yàn)橹参镌谠庥瞿婢硶r(shí)隨著超氧自由基的增加進(jìn)行的一種保護(hù)性應(yīng)激反應(yīng)。干旱12 d時(shí),SOD活性又降低,這表明這時(shí)干旱脅迫已經(jīng)加劇,超氧自由基的產(chǎn)生速度超過了機(jī)體自身的清除能力,表現(xiàn)出SOD活性降低。在干旱脅迫后期,SOD活性明顯增加,這可能是在經(jīng)歷了前段時(shí)間的干旱脅迫后,植物體已產(chǎn)生了對(duì)此的適應(yīng)能力,表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱能力。

干旱脅迫導(dǎo)致POD活性上升,但由于品種間抗旱性差異,POD活性上升的幅度不盡相同(圖3b)。其中,國華皇專在脅迫后期與對(duì)照比POD活性增加最多,為0.869 U/μg,其表現(xiàn)出了很強(qiáng)的抗旱性。

圖3 干旱脅迫下菊花葉片SOD和POD活性的變化Fig.3 Changes of SOD and POD activity under drought stress

2.4 干旱脅迫對(duì)菊花葉片葉綠素相對(duì)含量的影響

由圖4可見,葉綠素相對(duì)含量隨著干旱脅迫時(shí)間的延長,總體上呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢,各品種在不同脅迫強(qiáng)度下均與對(duì)照存在顯著差異(P＜0.05)(圖4)。圖4中,對(duì)照菊花葉片葉綠素的相對(duì)含量保持在較高水平,脅迫18 d時(shí),葉綠素的相對(duì)含量均大幅度降低。

圖4 干旱脅迫下菊花葉片葉綠素相對(duì)含量的變化Fig.4 Changes of chlorophyll relative content under drought stress

2.5 菊花抗旱性綜合評(píng)價(jià)

結(jié)果見表1。

表1 六種菊花品種抗旱能力綜合評(píng)價(jià)Tab.1 Comprehensive evaluation on drought-resistant capacity of six Chrysanthemum species

由表1可見,金背大紅的隸屬函數(shù)平均值最大,達(dá)到0.463,其次是天下一品,為0.447;泉香沖天,0.446;紫玉,0.435;國華皇專,0.431;俊河的舞的隸屬函數(shù)值最小,為0.340。因此,按照隸屬函數(shù)的綜合評(píng)價(jià)值,對(duì)6個(gè)品種菊花抗旱能力進(jìn)行排序?yàn)?金背大紅＞天下一品＞泉香沖天＞紫玉＞國華皇專＞俊河的舞。

3 討論與結(jié)論

干旱脅迫可導(dǎo)致細(xì)胞代謝紊亂,使植物體內(nèi)活性氧積累,植物將主動(dòng)調(diào)動(dòng)抗氧化酶類SOD、POD等來清除體內(nèi)的活性氧,以保護(hù)細(xì)胞膜不受活性氧的攻擊[14-16]。酶活性一般隨脅迫增加而增加,或者是先增加后降低的基本勢態(tài)[17]。在不同程度的干旱脅迫下,各類保護(hù)酶活性受脅迫程度的影響,在不同時(shí)期的活性高低表現(xiàn)不同。嚴(yán)重的逆境脅迫,如干旱、高溫、低溫、強(qiáng)光等綜合作用使各類酶的活性降低,同時(shí)由于不同保護(hù)酶的催化底物不同,其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性也不同,使不同處理、不同酶活性的變化規(guī)律也表現(xiàn)不同[18,22]。MDA含量的增加能夠反映出物種抗旱能力的強(qiáng)弱,MDA增量越小,抗旱能力越強(qiáng)[23]。脅迫條件下植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧自由基會(huì)對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)造成傷害,這些活性氧的清除依靠SOD和POD等酶的催化反應(yīng),從而免除或降低活性氧對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害[24-26]。

本研究發(fā)現(xiàn)這6個(gè)品種菊花葉片中SOD、POD的含量均隨干旱的加劇呈現(xiàn)出先增后降再增的趨勢,這說明在一定干旱脅迫范圍內(nèi),菊花通過酶活性增加,提高了適應(yīng)干旱脅迫的能力。隨著干旱脅迫的進(jìn)一步加劇,超氧自由基的產(chǎn)生速度超過了機(jī)體自身的清除能力,表現(xiàn)出SOD、POD活性降低。在干旱脅迫后期,SOD、POD活性明顯增加,可能是在經(jīng)歷了前段時(shí)間的干旱脅迫后,植物體已產(chǎn)生了一定的適應(yīng)能力,表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性。

植物的抗旱性機(jī)制十分復(fù)雜,抗旱性是受多種因素影響和控制的復(fù)合遺傳性狀,因此,應(yīng)對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),進(jìn)而彌補(bǔ)僅僅依靠單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定的不確定性和片面性。以 MDA、POD、SOD、電導(dǎo)率和葉綠素5個(gè)生理指標(biāo)為依據(jù),應(yīng)用隸屬函數(shù)值法[13]對(duì)不同品種菊花的多種指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),用每一品種各項(xiàng)指標(biāo)隸屬度的平均值作為抗旱能力綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,平均值越大,抗旱能力就愈強(qiáng)。

本研究采用隸屬函數(shù)法對(duì)6個(gè)品種菊花的抗旱能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),結(jié)果顯示:金背大紅＞天下一品＞泉香沖天＞紫玉＞國華皇專＞俊河的舞,金背大紅的抗旱性最強(qiáng),而國華皇專的抗旱性較弱。而采用單一指標(biāo)(MDA、電解質(zhì)滲透率及 POD、SOD等)的測定結(jié)果及變化幅度均顯示出國華皇專的抗旱性較好,初步證明了用不同的生理指標(biāo)評(píng)價(jià)相同的菊花品種抗旱性會(huì)得到不相同的結(jié)果,單一指標(biāo)難以判斷植物對(duì)干旱的綜合適應(yīng)能力。

模糊數(shù)學(xué)綜合隸屬函數(shù)分析提供了一條在多指標(biāo)測定基礎(chǔ)上對(duì)材料特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的途徑,將它應(yīng)用于抗旱育種的選擇,可以提高抗旱性篩選的可靠性。賈俊香等[27]、劉松濤等[28]、張微等[29]用同樣的方法對(duì)多種苗木抗旱性進(jìn)行了鑒定分析,也說明了這種方法具有一定的適用性。

[1]劉萍,常云霞,丁義峰.化學(xué)調(diào)控技術(shù)調(diào)整菊花生長、生理和開花研究現(xiàn)狀[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2006(7):91-94.

[2]楊再強(qiáng),羅衛(wèi)紅,陳發(fā)棣,等.赤霉素對(duì)單頭切花菊發(fā)育和外觀品質(zhì)的影響[J].植物生理學(xué)通訊,2008,44(6):1095-1098.

[3]劉萍,程志卓,劉海英,等.AMP與ASA對(duì)菊花花瓣生理和花期調(diào)控的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2009,18(1):258-261,266.

[4]楊雨,尚富德.開封地區(qū)菊花資源調(diào)查研究[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,38(3):293-295.

[5]雒新艷,劉倩倩,白新祥,等.北京地區(qū)獨(dú)本菊品種資源及花型和花色分布研究[J].北方園藝,2009(7):183-188.

[6]田彥彥,王領(lǐng),王林忠,等.不同生育期菊花葉片生理指標(biāo)的比較研究[J].河南科學(xué),2009,27(2):172-174.

[7]毛洪玉,祝朋芳,何小雨.地被菊的抗寒性和光照栽培試驗(yàn)[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué),2004(4):46-48.

[8]李云,張鋼,楊際雙.熱激鍛煉對(duì)高溫脅迫下菊花生理代謝的影響[J].武漢植物學(xué)研究,2008,26(2):175-178.

[9]孫守家,趙蘭勇,于守超.平陰玫瑰鮮花花蕾采后衰老生理機(jī)制研究[J].林業(yè)科學(xué),2004,40(5):79-83.

[10]馮寶春,陳學(xué)森,何天明,等.棗樹抗旱性研究初報(bào)[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,22(5):397-400.

[11]張志良,翟偉菁.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:高等教育出版社.2003.

[12]李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[13]王新建,何威,楊淑紅,等.豫楸1號(hào)4種砧木嫁接苗對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)[J].林業(yè)科學(xué),2008,44(5):31-37.

[14]馬麗,侯振安,梁永超,等.NaCl脅迫對(duì)棉花幼苗生理特性的影響[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,26(2):180-184.

[15]Levittt J.Response of plants to environmental stress[M].New York:Academic Press,1972.

[16]Hanson A D,Nelsen C F.Everson E H.Evaluation of free Proline accumulation as an indox of drought using to con-tracting barley cultivars[J].Crop Sci,1977,17:720-726.

[17]魯守平,孫群,洪露,等.不同種源地烏拉爾甘草發(fā)芽期抗旱性鑒定[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào),2007,8(2):189-194.

[18]Singh T N.Aspinall D,Ptleg L G.Proline accumulation and Varietal adaptation to drought in barley.A potential matabolic measure of drought resistance[J].Nature New Biol,1972,236:188-190.

[19]杜金偉,崔世茂,金麗萍,等.水分脅迫對(duì)山杏滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累及保護(hù)酶活性的影響[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(2):88-93.

[20]Marshall J,Rutledge R,Blumwald E,et al.Reduction in turgid water volume in jack pine,white spruce and black spruce in response to drought and paclobutrazol[J].Tree Physiology,2000,20(10):701-707.

[21]Zgallai H,Steppe K,Lemeur R.Effects of different levels of water stress on leaf water potential,stomatal resistance,protein and chlorophyll content and certain anti-oxidative enzymes in tomato plants[J].Jouranl of Integrative Plant Biology,2006,48(6):679-685.

[22]Arora A,Sairam R K,Srivastava G C.Oxidative stress and antioxidative system in plants[J].Current Science,2002,82:1227-1238.

[23]王瓊,宋桂龍,韓烈保.5種野生護(hù)坡植物的抗旱綜合性評(píng)價(jià)[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,37(2):153-157.

[24]Garay Arroyo A,Colmenero Flores J M,Garciarrubio A,et al.Highly hydrophilic proteins in prokaryote and eukaryotes are common during conditions of water deficit[J].J Biol Chem,2000,275:5668-5674.

[25]高蕾,劉麗君,董守坤,等.干旱脅迫對(duì)大豆幼苗葉片生理生化特性的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,40(8):1-4.

[26]Paul E,Verslues,Manu Agarwal,et al.Methods and concepts in quantifying resistance to drought,salt and freezing abiotic stresses that affect plant water status[J].The Plant Journal,2006,45:523-539.

[27]賈俊香,賈煒瓏.轉(zhuǎn)基因玉米苗期抗旱性生理生化指標(biāo)及綜合評(píng)價(jià)的研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(4):331-333.

[28]劉松濤,趙喜茹,曹雯梅.應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)法綜合評(píng)判旱地小麥新品種[J].安陽工學(xué)院學(xué)報(bào),2008(4):94-96.

[29]張微,李春艷,曹連莆,等.春性小黑麥材料抗旱性的比較研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,27(5):529-535.

Physiological Response to Drought Stress of Leaves and Drought-Tolerance Evaluation of SixDendranthema×grandif lorumCultivars

LI Yan,LI Ming,YUAN Xiaojing,LI Yonghua
(Forestry College,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China)

Drought tolerance of sixDendranthema×grandif lorumcultivars(Jinbeidahong,Tianxiayipin,Quanxiangchongtian,Ziyu,Guohuahuangzhuan andJunhedewu)under drought stress was evaluated with subordinative function,and the physiological and biochemical indexes such as exosmosis rate of cytoplasm,content of malondialdehyde(MDA),activities of superoxide dismutase(SOD)and peroxidase(POD),and the relative chlorophyll contents were measured.Comparing with control,with the degree of drought stress increase,the protoplasmic membrane penetrability of diferent species increased continually,while the chlorophyll contents were decreased gradually.The protective enzyme’s(SOD and POD)activity of six cultivars presented to rise first and then drop,and reached its maximum on 18 days in the condition of drought stress.The MDA content of Guohuahuangzhuan and Ziyu kept increasing,whereas other cultivars showed the trend of declining firstly and then rising.The comprehensive evaluation of the six cultivars was handled by using the subordinative function method.The drought tolerance of six chrysanthemum cultivars is in the following order:Jinbeidahong,Tianxiayipin,Quanxiangchongtian,Ziyu,Guohuahuangzhuan and Junhedewu.

Dendranthema×grandif lorum;drough stress;drought tolerance;subordinative function methord

S682.1 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

A

2010-03-08

河南省重大科技專項(xiàng)(30400380)

栗燕(1978-),女,實(shí)驗(yàn)師,碩士,從事園林植物研究;e-mail:yanli1978@163.com。

李永華(1975-),男,副教授,博士,從事園林植物研究;e-mail:liyhhany@163.com。